DE19854077A1 - Verfahren zur Anwärmung der Ansaugluft - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren wird die Ansaugluft, insbesondere für eine sich in der Start- und/oder Warmlaufphase befindliche Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselbrennkraftmaschine, welche wenigstens ein vor dem Lufteintritt in die Brennkraftmaschine angeordnetes, elektrisch beheizbares Heizelement aufweist, durch das eine Vorglühzeit und eine Nachglühzeit für die Ansaugluft festgelegt wird, angewärmt. Die Vorglühzeit des Heizelementes wird dabei in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlwassers der Brennkraftmaschine und der Temperatur der von der Brennkraftmaschine angesaugten, unbeheizten Luft gewählt und die Nachglühzeit des Heizelementes wird unabhängig von der Vorglühzeit in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur gewählt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anwärmung der Ansaugluft, insbesondere für eine sich in der Start- und Warmlaufphase befindliche Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Die Anwärmung der Ansaugluft bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei sich in der Start- und Warmlaufphase befindlichen Dieselbrennkraftmaschinen, ist aus mehre­ ren Gründen erforderlich. Bei niedrigen Umgebungstem­ peraturen und folglich niedrigen Ansauglufttemperatu­ ren kommt es insbesondere bei Dieselmotoren zu einer unzureichenden Kompressionsendtemperatur und damit zu einem ansteigenden Zündverzug, d. h. die Zeit vom Ein­ treten des Kraftstoffes in den Brennraum bis zur Zün­ dung desselben wird zu lang. Des weiteren treten bei niedrigen Ansaugtemperaturen örtliche Überfettung, unvollständige Verbrennung und hohe Druckgradienten in Folge einer schlagartigen Gemischumsetzung im Zylinder auf. Die Folge sind eine stark erhöhte Kohlenwasser­ stoff-Emission im Abgas und das Nageln des Dieselmo­ tors sowie die daraus resultierenden Nachteile wie eine starke Umweltbelastung und eine erhöhte Belastung der Triebwerksteile.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist ein Verfah­ ren zur Vorwärmung der Ansaugluft bekannt, bei welchem elektrisch beheizbare Heizelemente eingesetzt werden und die Vorglühzeit und Nachglühzeit derselben durch ein zeitgesteuertes Relais auf nur je einen Wert für die Vorglühzeit und die Nachglühzeit festgelegt ist. Unter der Vorglühzeit ist der Zeitraum zu verstehen, in welchem das Heizelement beheizt ist und Wärme an die Ansaugluft abgibt, bevor der Anlasser die Kurbel­ welle in bekannter Art und Weise in Bewegung setzt. Die Nachglühzeit ist der Zeitraum, in welchem das be­ heizte Heizelement Wärme an die Ansaugluft abgibt, nachdem der Anlasser begonnen hat die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine durchzudrehen. Während der Vorglüh­ zeit bzw. der Nachglühzeit erwärmt sich die aus der Umgebung bzw. aus einem Ladeluftkühler kommende kalte Ansaugluft durch das Vorbeiströmen an einem Heizdraht des Heizelementes.

Eine optimale Anpassung der Vorglühzeit und der Nach­ glühzeit des Heizelementes an die Umgebungstemperatur bzw. Ansauglufttemperatur ist nicht möglich. So kann einerseits die Vorglühzeit und die Nachglühzeit zu lang sein, womit praktisch mehr elektrische Energie verbraucht wird als eigentlich notwendig ist und damit zu einer unnötigen Schwächung der Leistungsfähigkeit der Starterbatterie führt. Andererseits kann die Vorglühzeit und die Nachglühzeit der Heizelemente auf­ grund extrem niedriger Lufttemperaturen zu kurz sein, was wiederum zu den bereits oben genannten Folgen wie Zündverzug und Steigerung der HC-Emission im Abgas führt oder dazu, daß ein Anspringen des Motors über­ haupt nicht möglich ist. Sollen die Vorglühzeit und die Nachglühzeit des Heizelementes an die gegebenen Randbedingungen angepaßt werden, ist eine zusätzliche Steuer- bzw. Regeleinheit erforderlich.

Aus der MTZ (Motortechnische Zeitschrift 58, 1997; Ausgabe 4) ist ein Verfahren zur Anwärmung der Ansaug­ luft bekannt, bei welchem ein Heizelement mit einem selbstregelnden Reizdraht eingesetzt wird. Durch die Verwendung eines selbstregelnden Heizelementes soll die Anwärmung der Ansaugluft optimal an die gegebenen Lufttemperaturen angepaßt werden.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß zu dessen Realisierung ein in seinem Aufbau komplizierter und damit teurer Heizflansch erforderlich ist. Weiter ist dieses Verfahren nicht auf sich bereits in Benutzung befindlichen Dieselbrennkraftmaschinen oder auf Brenn­ kraftmaschinen die mit relativ häufig wechselnden Kraftstoffen mit stark unterschiedlichem Zünd- bzw. Verbrennungsverhalten betrieben werden, ausdehnbar, ohne daß dazu ein erheblicher Umrüstungsaufwand not­ wendig ist. Außerdem ist es dem bei diesem Verfahren eingesetzten Heizelement nicht möglich, auf andere Randbedingungen als die Ansauglufttemperatur zu rea­ gieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Anwärmung der Ansaugluft zu schaffen, bei welchem die Vorglühzeiten und die Nachglühzeiten genau an die relevanten Temperaturpara­ meter und Randbedingungen angepaßt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwärmung der Ansaugluft ist es möglich, mit den z. B. ohnehin an einer elektronisch geregelten Dieselbrennkraftmaschine mit elektrisch beheizbarer Luftvorwärmung vorhandenen Komponenten die Vorglühzeit und die Nachglühzeit des elektrisch beheizbaren Heizelementes optimal an die gegebene Umgebungstemperatur und damit an die Ansaug­ lufttemperatur anzupassen. Weiter können die Vorglüh­ zeit und die Nachglühzeit auch an Kraftstoffe, die bei tiefen Temperaturen ein etwas verändertes Zünd- und Verbrennungsverhalten aufweisen, individuell angepaßt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur An­ wärmung der Ansaugluft ist somit kein separates Steu­ er- bzw. Regelgerät erforderlich. Weiter können die in ihrem Aufbau sehr einfachen, bisher verwendeten Heiz­ elemente nach wie vor benutzt werden. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwärmung der Ansaug­ luft auch bei älteren, sich bereits in Benutzung be­ findlichen elektronisch geregelten Dieselbrennkraftma­ schinen mit sehr geringem Umrüstungsaufwand anwendbar, da hierbei nur eine mit relativ wenig Aufwand verbun­ dene Softwareanpassung des in einer Motorelektronik­ einheit gespeicherten Datensatzes notwendig ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfolgend anhand der Zeichnungen prinzipmäßig darge­ stellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Dieselbrennkraftmaschine mit daran ange­ schlossenen Peripheriekomponenten; und

Fig. 2 ein zeitliches Ablaufdiagramm für zwei Start­ varianten mit den Betriebszuständen des Heiz­ elementes und des Motors.

In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt. An der Brennkraftmaschine 1 ist ein Luft­ ansaugrohr 2 befestigt, welches die zur Verbrennung erforderliche Luft direkt von der Umgebung oder aus einem Ladeluftkühler (nicht dargestellt) den sechs Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 1 zuführt. Im In­ nern des Luftansaugrohres 2 ist ein Heizelement 4 mit zwei elektrischen Anschlüssen 5 angeordnet. Über die beiden elektrischen Anschlüsse 5 wird das Heizelement 4 mit elektrischem Strom versorgt. Das Heizelement 4 arbeitet nach dem Prinzip eines elektrischen Wider­ stand-Heizdrahtes. Im Innern des Luftansaugrohres 2 ist in Strömungsrichtung hinter dem Heizelement ein Temperatursensor 6 angeordnet. Der Temperatursensor 6 mißt die Temperatur der Verbrennungsluft direkt vor dem Eintritt in die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1.

Weiter sind in Fig. 1 zwei Kühlwasseranschlüsse der Brennkraftmaschine 1 zu sehen. Ein Kühlwasserein­ trittsanschluß 7, bei welchem abgekühltes Kühlwasser in einen, durch eine gestrichelte Linie angedeuteten, internen Kühlkreislauf 8 der Brennkraftmaschine 1 ein­ strömt, und ein Kühlwasseraustrittsanschluß 9, durch welchen das erwärmte Kühlwasser in einen nicht darge­ stellten Kühler zurückströmt. Ein in Strömungsrichtung (durch Pfeile angedeutet), am Ende des internen Kühl­ kreislaufes 8 der Brennkraftmaschine 1, im Bereich des Kühlwasseraustrittsanschlußes 9 angeordneter, weiterer Temperatursensor 10 registriert die Temperatur des Kühlwassers.

Des weiteren ist in Fig. 1 ein elektrisch antreibbarer Anlasser 11 mit zwei elektrischen Anschlüssen 12 dar­ gestellt, welcher in der Startphase der Brennkraftma­ schine 1 eine Kurbelwelle 13 derselben in bekannter Art und Weise antreibt. Am Anlasser 11 selbst ist eine Einrückeinrichtung 14 angeordnet, die ebenfalls zwei elektrische Anschlüsse 15 aufweist.

Die Temperatursensoren 6, 10 für Ansaugluft und Kühl­ wasser, das Reizelement 4, der Anlasser 11 und die Einrückeinrichtung 14 stehen alle mit einer bei elek­ tronisch geregelten bzw. gesteuerten Dieselbrennkraft­ maschinen 1 stets vorhandenen Motorelektronikeinheit 16 über entsprechende Leitungen 17 in elektrischer Verbindung. In der Motorelektronikeinheit 16 sind sämtliche zum Betrieb bzw. zur Steuerung der Brenn­ kraftmaschine 1 und deren Peripheriekomponenten erfor­ derlichen Daten, in Abhängigkeit von entsprechenden Randbedingungen, in Datensätzen gespeichert. Die Mo­ torelektronikeinheit 16 steuert bzw. regelt das gesam­ te erfindungsgemäße Verfahren zur Anwärmung der An­ saugluft durch die daran beteiligten Komponenten durch die entsprechende Ansteuerung derselben. Eine Vorglüh­ zeit und eine Nachglühzeit des Heizelementes 4, das zur Anwärmung der Ansaugluft dient, sind somit eben­ falls durch eine einfache Softwareanpassung in der Motorelektronikeinheit 16 individuell festlegbar. Die Vorglühzeit und die Nachglühzeit werden dabei in Ab­ hängigkeit von der Kühlwassertemperatur des internen Kühlkreislaufes 8 der Brennkraftmaschine 1 und der Ansauglufttemperatur im Luftansaugrohr 2 gewählt, bzw. sind eine Funktion derselben. Die Werte für die Vorglühzeit und die Nachglühzeit sind als entsprechen­ des Kennfeld in Abhängigkeit von Kühlwassertemperatur und Ansauglufttemperatur anwendungsfallspezifisch in der Motorelektronikeinheit 16 festzulegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwärmung der An­ saugluft läuft in nachfolgend beschriebener Reihenfol­ ge ab. Bei Betätigung des Startschalters (nicht darge­ stellt) wird die Motorelektronikeinheit 16 sowie das elektrische Netz und die daran angeschlossenen Bautei­ le in eine Art Stand-by-Zustand versetzt. Die Tempera­ tur des Kühlwassers im internen Kühlkreislauf 8 der Brennkraftmaschine 1 und die Temperatur der Ansaugluft im Luftansaugrohr 2 werden über die Temperatursensoren 6, 10 ermittelt und deren Werte in die Motorelektro­ nikeinheit 16 eingelesen. Durch den in der Motorelek­ tronikeinheit 16 festgelegten Datensatz wird nun die Vorglühzeit und die Nachglühzeit des Heizelementes 4 unabhängig voneinander bestimmt. Die Motorelektronik­ einheit 16 gibt ein Signal aus, durch welches das Hei­ zelement 4 eingeschaltet und mit elektrischer Energie versorgt wird.

Nach Ablauf der Vorglühzeit wird der Anlasser 11 über die Einrückeinrichtung 14 in bekannter Art und Weise eingerückt. Nach Abschluß des Einrückvorganges wird der Anlasser 11 mit elektrischem Strom versorgt, wo­ durch sich eine Anlasserwelle 18 zu drehen beginnt und über ein auf der Anlasserwelle 18 angebrachtes Zahn­ ritzel 19 und einem auf der Kurbelwelle 13 der Brenn­ kraftmaschine 1 angebrachten Zahnrad 20 die Kurbelwel­ le 13 bis zum Selbstlauf der Brennkraftmaschine 1 an­ treibt.

In der Phase, in welcher an den elektrischen Anschlüs­ sen 12 des Anlassers 11 Spannung anliegt, wird die Stromversorgung des Heizelementes 4 unterbrochen, um eine zu starke Beanspruchung des elektrischen Netzes und einer eventuell sehr klein dimensionierten Star­ terbatterie zu vermeiden. Dies ist besonders vorteil­ haft, da Starterbatterien insbesondere bei sehr kalten Umgebungstemperaturen eine ohnehin erheblich vermin­ derte Leistungsfähigkeit aufweisen. Bei ausreichender Batteriekapazität kann auf eine Unterbrechung der Stromversorgung des Reizelementes 4 verzichtet werden. Dadurch wird dann eine noch bessere Anwärmung der An­ saugluft erreicht.

Sobald der Selbstlauf der Brennkraftmaschine 1 einge­ treten ist, beginnt die Nachglühzeit des Heizelementes 4. Die Nachglühzeit ist bereits zu Beginn des Start­ vorganges über den in der Motorelektronikeinheit fest­ gelegten Datensatz bestimmt worden. Das Nachglühen bewirkt eine gezielte Rundlaufunterstützung der noch kalten Brennkraftmaschine 1.

Bei Ausfall des Temperatursensors 10, welcher die Kühlwassertemperatur mißt, wird ersatzweise die Öltem­ peratur zur Bestimmung der Vorglühzeit und der Nach­ glühzeit herangezogen, die ebenfalls über einen im Ölkreislauf (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 1 angeordneten Temperatursensor (nicht dargestellt) bestimmt wird. Bei Ausfall des Temperatursensors 6, welcher die Ansauglufttemperatur mißt, wird ersatzwei­ se die Kühlwassertemperatur zur Bestimmung der Vorglühzeit und der Nachglühzeit herangezogen. Dadurch ist eine nahezu optimale Anpassung der Vorglühzeit und der Nachglühzeit des Heizelementes 4 an vorgegebene Randbedingungen auch bei Ausfall einer der beiden Tem­ peratursensoren 6, 10 möglich.

In Fig. 2 ist ein zeitliches Ablaufdiagramm mit den Zuständen des Heizelementes 4, einmal mit einer Unter­ brechung und einmal ohne eine Unterbrechung der Be­ stromung des Heizelementes 4 in der direkten Anlauf­ phase der Brennkraftmaschine 1 sowie der entsprechende Zustand der Brennkraftmaschine 1 dargestellt, wobei die y-Achse den jeweiligen Zustand des Heizelementes 4 bzw. der Brennkraftmaschine 1 und die x-Achse die Zeit wiedergibt.

Fig. 2a zeigt den Zustandsverlauf des Heizelementes 4 für den Fall, bei welchem die Bestromung des Heizele­ mentes 4 während des eigentlichen Startvorganges un­ terbrochen wird. Der Zustand 0 entspricht dabei dem unbeheizten und I dem beheizten Zustand des Heizele­ mentes 4.

Fig. 2b zeigt den Zustandsverlauf des Heizelementes 4 für den Fall, bei welchem die Stromversorgung des Heizelementes 4 erst nach Ablauf der Nachglühzeit ab­ gebrochen wird.

In Fig. 2c ist der zu den beiden Zustandsverläufe des Heizelementes 4 äquivalente Zustandsgraph der Brenn­ kraftmaschine 1 dargestellt. Hierbei entspricht 0 dem Stillstand der Brennkraftmaschine 1, der Zustand I der Phase des Startvorganges, bei welchem die Kurbelwelle 13 der Brennkraftmaschine 1 von dem Anlasser 11 ange­ trieben wird. Der Zustand II ist der Betriebszustand in welchem die Brennkraftmaschine in den Selbstlauf übergegangen ist, das heißt daß ein Antrieb der Kur­ belwelle 13 der Brennkraftmaschine 1 durch den Anlas­ ser 11 nicht mehr notwendig ist. Die in Fig. 2 in ei­ nem Ablaufdiagramm dargestellte Start- und Warmlauf­ phase der Brennkraftmaschine 1 läßt sich in fünf un­ terschiedliche zeitliche Ablaufstufen einteilen. In der Ruhephase R befindet sich das Heizelement 4 in unbeheiztem Zustand und die Brennkraftmaschine 1 steht still. In einer Phase V, welche mit dem Erhalt eines Startsignales beginnt, wird das Heizelement 4 mit Strom versorgt. Nach Ablauf dieses, von der Motorelek­ tronikeinheit 16 in Abhängigkeit von der zu Beginn der Phase V durch die Temperatursensoren 6, 10 ermittelten Temperaturen der Ansaugluft und des Kühlwassers be­ stimmten Zeitraumes, wird wie in Fig. 2a dargestellt die Stromversorgung des Heizelementes 4 unterbrochen. Alternativ dazu kann aus den oben erläuterten Gründen die Stromversorgung des Heizelementes 4 selbstver­ ständlich aufrechterhalten werden. In beiden Fällen beginnt nach Ablauf des im Diagramm mit V bezeichneten Zeitraumes, der eigentliche Startvorgang S der Brenn­ kraftmaschine 1 mit dem Einrücken des Zahnritzels 19 des Anlassers 11 in das an der Kurbelwelle 13 der Brennkraftmaschine 1 angebrachte Zahnrad 20. In dem Moment, in welchem die Brennkraftmaschine 1 ohne Un­ terstützung des Anlassers 11 läuft, beginnt die im Diagramm mit N bezeichnete Nachglühphase. Der Zeitraum dieser Phase wurde bereits zu Beginn des im Diagramm mit V bezeichneten Abschnittes durch die Motorelektro­ nikeinheit in Abhängigkeit von der über die beiden Temperatursensoren 6, 10 ermittelten Temperaturen des Kühlwassers und der Ansaugluft festgelegt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Anwärmung der Ansaugluft, insbeson­ dere für eine sich in der Start- und/oder Warm­ laufphase befindliche Brennkraftmaschine, insbe­ sondere Dieselbrennkraftmaschine, durch wenigstens ein vor dem Lufteintritt in die Brennkraftmaschine angeordnetes, elektrisch beheizbares Heizelement, durch das eine Vorglühzeit und eine Nachglühzeit für die Ansaugluft festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorglühzeit des Heizelementes (4) in Abhängig­ keit von der Temperatur des Kühlwassers der Brenn­ kraftmaschine (1) und der Temperatur der von der Brennkraftmaschine (1) angesaugten, unbeheizten Luft gewählt wird, und daß die Nachglühzeit des Heizelementes (4) unabhängig von der Vorglühzeit in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur ge­ wählt wird.

2. Verfahren zur Anwärmung der Ansaugluft nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorglühzeit und die Nachglühzeit des elek­ trisch beheizbaren Heizelementes (4) in einer Mo­ torsteuerelektronikeinheit (16) der Brennkraftma­ schine (1) für verschiedene Kühlwassertemperaturen und Ansauglufttemperaturen individuell festgelegt werden.

3. Verfahren zur Anwärmung der Ansaugluft nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Ansaugluft durch wenigstens einen Temperatursensor (6), der sich im Luftan­ saugrohr (2) zwischen dem Heizelement (4) und der Brennkraftmaschine (1) befindet, ermittelt wird.

4. Verfahren zur Anwärmung der Ansaugluft nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kühlwassers durch wenigstens einen Temperatursensor (10), der sich in Strö­ mungsrichtung gesehen am Ende des internen Kühl­ kreislaufes (8) im Bereich des Kühlwasseraus­ trittsanschlußes (9) befindet, ermittelt wird.

5. Verfahren zur Anwärmung der Ansaugluft nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stromversorgung des Heizelementes (4) während des Anspringens der Brennkraftmaschine (1) unterbrochen wird.

6. Verfahren zur Anwärmung der Ansaugluft nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall eines für die Ermittlung der Kühlwas­ sertemperatur vorgesehenen Temperatursensors (10) zur Bestimmung der Vorglühzeit und/oder der Nach­ glühzeit ersatzweise die Öltemperatur verwendet wird.

7. Verfahren zur Anwärmung der Ansaugluft nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall eines für die Ermittlung der angesaug­ ten, unbeheizten Luft vorgesehenen Temperatursen­ sors (6) zur Bestimmung der Vorglühzeit und der Nachglühzeit ersatzweise die Kühlwassertemperatur verwendet wird.